能源短缺是人类在21世纪面临的重大危机。随着世界人口增长和工业化迅速发展,加快了对传统能源的消耗,也使得人类对能源的依赖更加严重。然而,传统能源多为不可再生能源,储量有限,且对环境有一定的污染,这使得人类把目光转向了清洁、可再生的新能源领域。与太阳能、核能和风能等新型能源相比,微藻能源因具有原材料丰富、生产操作安全、生产过程能耗低且使用过程零排放等特点,受到国内外的广泛关注。目前,微藻光生物制氢及产油已经成为全球研究的热点,美国等发达国家已经率先实现了从微藻培养到生物燃料制备的工业化生产。在影响微藻产氢产油的众多因素中,光能是最主要的因素之一。因此,准确地了解微藻细胞对光能的吸收散射特性及光生物反应器内辐射传输显得尤为重要。本文以微藻光生物制氢为研究背景,针对细胞辐射特性、光生物反应器内辐射传输及制氢动力学开展了理论和实验研究,主要完成以下几方面工作:首先介绍了单体微藻细胞辐射特性模型,比较了椭球形莱茵衣藻细胞与其等效球模型辐射特性的差异,并建立了基于分形理论和广义Mie理论的微藻细胞团聚体辐射特性模型,分析了分形维数、单体个数及单体半径对团聚体辐射特性的影响。结果表明,可用等效球模型近似计算椭球形莱茵衣藻细胞辐射特性;随着分形维数增大,单体半径越小且单体数越多的细胞团聚体散射截面变小且越接近等体积球的散射截面,而吸收截面变化不明显。在研究了细胞辐射特性模型的基础上,结合辐射反问题求解技术,展开了微藻细胞辐射特性的测量研究,即分别建立了基于时/频域激光透反射测量技术及微粒群智能优化算法的微藻细胞光谱复折射率反演模型和基于微藻弥散系光谱消光技术及蚁群智能优化算法的微藻细胞弥散系粒径分布反演模型。研究表明,时域脉冲激光作用下的微藻细胞光谱复折射率反演结果的鲁棒性好、精度高、收敛慢,基于多厚度模型和透反射信号的测量技术是一种有效反演莱茵衣藻GY-D55型细胞光谱复折射率的方法;在粒径分布函数未知的情况下,J-SB函数和M-?函数可以作为一般性函数来近似参数化估计细胞粒径分布,提出的一种基于波长敏感度和矩阵条件数分析的探测激光波长优选方案能提高细胞粒径分布的非参数化反演精度。在研究了细胞辐射特性的基础上,结合Michaelis-Menten动力学模型,进一步开展了光生物反应器内辐射传输及光生物制氢的研究,分析了不同地区不同时刻光照强度、气泡密度、藻类浓度及微藻团聚现象对反应器内辐射传输及制氢率的影响,并搭建了平板气升式光生物反应器制氢实验平台,测量了不同波长和强度的LED灯照射下莱茵衣藻GY-D55型细胞的制氢率,反演得到相应LED灯照射下的制氢特性参数。研究表明,夏至日光照强、制氢率高、光能对氢能转化效率低,增大气泡密度使得反应器内最大光合有效制氢区域减小并远离反应器光照表面,增加微藻细胞浓度使得反应器内总制氢率出现先增大后减小的趋势;微藻细胞光谱吸收指数是影响微藻光合作用动力学的关键因素,在吸收指数较大的波长下,同样的光强能获得较大的细胞生长率和制氢率。